Отличился Голицын при взятии Нотебурга. Уже 7 октября 1702 г., убедившись в безрезультатности обстрела крепости, Петр I приказал начать подготовку к штурму. В тот же день были собраны охотники, «которых немалое число записалось», а 9 октября раздали штурмовые лестницы. В 4 часа утра 11 октября на Ореховый остров, на котором была расположена крепость, с разных сторон был высажен десант, после чего начался штурм. Наступавшие несли большие потери от огня шведов, в их рядах возникло замешательство, и часть солдат побежала обратно к ботам. Осажденным помогало и то обстоятельство, что лестницы, которые были заготовлены для приступа, оказались короткими. Кроме того, на острове было очень мало места.
Петр, наблюдавший за штурмом в подзорную трубу с левого берега, отдал приказ об отступлении. Позже Петр, имевший обыкновение каждый год 11 октября ездить на остров, если находился в России, вспоминал, что «под брешью вовсе не было пространства, на котором войска могли бы собраться и приготовиться к приступу, а между тем шведский гарнизон истреблял их гранатами и каменьями».
Пока приказ Петра доставлялся в передовые части через реку, ситуация под стенами крепости изменилась. Именно день штурма Нотебурга можно считать началом блистательной карьеры М. М. Голицына. Командуя отрядом семеновцев, подполковник ответил, что «он уже не Петров, а Богов», и приказал оттолкнуть от берега все лодки. Солдатам не оставалось ничего иного, как поворачивать назад и снова ставить лестницы на стену. В «Реляции осады Нотебурга» сказано, что отступить не смогли «ради быстрой воды», т. е. из-за водного препятствия, оказавшегося опаснее, чем пули шведов.
Это вошло в анналы. Когда от царя прибыл гонец с приказом отступать, Голицын отвечал: «Скажи государю, что я теперь принадлежу только одному Богу». И повел гвардию на штурм.
В это время к ним пришло подкрепление во главе с поручиком А. Меншиковым. В конце концов сказалось численное превосходство русских войск: к ним постоянно прибывали подкрепления, в то время как силы осажденных таяли на глазах. После 13-часового штурма гарнизон капитулировал. За свой подвиг князь получил золотую медаль, три тысячи рублей, 394 крестьянских двора в Козельском уезде и звание полковника лейб-гвардии Семеновского полка.
Голицын принимал участие во взятии Ниешанца и Нарвы. В 1705 г. за взятие Митавы получил чин бригадира, с 1706 г. — генерал-майор, назначен командующим лейб-гвардии Семеновским, Ингерманландским, Вятским и Черниговским пехотными полками.
29 августа 1708 г. шведская армия подошла к д. Малятичи на р. Черная Натопа, где и встала лагерем. Авангард под командованием генерала Рууса в составе 4 пехотных и 1 кавалерийского полков беспечно расположился на отдых на расстоянии 3 км от своих главных сил, между д. Малятичи и д. Коханово. Дело было в том, что Малятичи находились на приличном расстоянии от главной дороги. Этим поспешило воспользоваться русское командование. В ночь на 31 августа 8 сводных пехотных батальонов под командованием князя М. М. Голицына вброд преодолели обе реки — Белую и Черную Натопу, болото и в тумане подошли к шведскому лагерю.
Сражение под Нарвой
Шведские караулы слишком поздно увидели противника, хотя и успели предупредить своих выстрелами. Стремительная атака русских застала каролинов врасплох. Солдаты полуодетые выскакивали из палаток и бросались к ружейным пирамидам. Шведские офицеры, надрывая голоса, пытались построить роты. В предрассветной мгле и тумане это было сделать чрезвычайно трудно. Но пока русские батальоны выбирались из речки и разворачивались в линию, а затем медленно пошли вперед, каролины успели привести себя в порядок и встретить неприятеля дружным огнем. Быстрого разгрома и уничтожения шведского авангарда не получилось. Услышав выстрелы, Карл XII понял, что на отряд Рууса напал противник. По приказу короля поднятая по тревоге гвардейская кавалерия на рысях бросилась на выручку. Князь Голицын, в планы которого не входило ввязываться в затяжное сражение, увидев приближение вражеской кавалерии, приказал отступать. Русские батальоны, подобрав 6 знамен, захваченных у врага, отступили к своим позициям. Итог сражения был более чем плачевен для каролинов. Они потеряли 270 человек убитыми, 750 ранеными, 6 знамен и 3 пушки; русские — 89 убитыми и 267 ранеными.
За эту победу (в литературе известна как победа при селе Добром) Михаил Михайлович получил орден Святого Андрея Первозванного. В сражении при Лесной 28 сентября 1708 г. князь командовал одной из колонн и по итогам сражения был произведен в генерал-лейтенанты.
После битвы при Лесной Петр предоставил Голицыну право просить, чего только он пожелает. «Прости Репнина, — сказал Голицын (Репнина, с которым у него были неприязненные отношения, разжаловали в солдаты за военную неудачу). — Что значит вражда личная между нами, когда Отечество и ты, государь, нуждаетесь полезными людьми?»
В Полтавском сражении командовал гвардией и принудил к капитуляции при Переволочной остатки шведской армии. Брал Выборг. Принимал участие в Прутском походе 1711 г.
В кампании 1713 г. Голицын командовал пехотой в корпусе генерал-адмирала Ф. М. Апраксина, действовавшего на территории Финляндии. Как только русская армия заняла Обу, царь Петр, прекрасно понимая, что Любекеру, как бы его ни критиковали в Стокгольме, удалось сохранить потенциал финляндского корпуса, представлявшего определенную угрозу русской армии, поставил Ф. М. Апраксину новую задачу: преследовать и уничтожить этот потенциал шведов.
Русский корпус (около 14 000 человек) подошел к р. Пялькине вечером 4/5 октября и встал лагерем у д. Кангайе. Состояние русских частей было далеко не блестящим: многие солдаты либо заболели из-за дурного климата, либо отстали по дороге, либо находились в гарнизонах. Утром 5 октября командующий осмотрел позиции неприятеля и нашел: «Просто неприятеля атаковать ради зело крепкой ситуации невозможно». Кроме того, «обойти с тыла невозможно, зело далеко для великих и долгопротяженных озер».
Апраксину явно хотелось вернуться на зимние квартиры, однако на военном совете выход все же был найден. Его предложил генерал-лейтенант князь М. М. Голицын, мысливший в атакующем стиле. Пользуясь обилием лесов, скрывавших действия наступавших, следовало сделать как можно больше плотов и высадить на них десант в глубине обороны шведов, на их правом фланге, у д. Мялькиле, переправившись через озеро Маллас-Веси. Одновременно с высадкой десанта должна была начаться демонстрация атаки в центре шведских позиций.
В глубокой бухте у русского лагеря солдаты под присмотром морских офицеров стали валить лес и вязать плоты. Командование десантным отрядом возлагалось, по русской традиции «инициатива наказуема», на генерал-лейтенанта князя М. М. Голицына. Его заместителем был назначен полковник фон Фенихорн.
Князь приказал выделить в десантный отряд из состава всех пехотных полков наиболее крепких и опытных солдат. Всего было отобрано 9400 пехотинцев (26 батальонов), 3700 драгун (16 эскадронов), 4000 казаков и 27 орудий.
Десантный отряд был разделен на три колонны.
Левая колонна под командованием генерал-майора Г. Чернышова включала 2 батальона Второго гренадерского, 2 батальона Петербургского и 2 батальона Казанского полков, всего 2000 человек.
Центр возглавлял сам генерал-лейтенант князь М. М. Голицын и включал в себя Архангелогородский (2 батальона), Выборгский (2 батальона), Нижегородский (1 батальон) и Галицкий (1 батальон) полки, всего 6 пехотных батальонов или 2000 человек.
Правая колонна — командующий генерал-лейтенант И. И. Бутурлин, полки Троицкий (2 батальона), Московский (1 батальон), 1-й гренадерский (3 батальона, из них 1 сводный), всего 6 пехотных батальонов или 2000 человек.